[发明专利]利用低温工质膨胀作功的微系统能源驱动装置

说明书

本发明涉及低温技术领域，特别涉及一种结构简单、价格低廉的可用于驱动微电子机械系统尤其是脱离基地工作的微飞行器、微运动装置的利用低温工质膨胀作功的微系统能源驱动装置。

近几年来自然科学与工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，人们的注意力逐渐从宏观物体转向那些发生在小尺度的现象及其相应器件上(刘静，微米/纳米尺度传热学，北京：科学出版社，2000)，其中，微电子机械系统(microelectromechanical systems---MEMS)尤其取得了巨大成功并正被拓展应用于工业、民用、军事等领域，它集电子与机械元件于一身，采用批量加工方法制成。由于现代制造与应用技术的持续进展，“微机械”的尺寸正以超乎寻常的速度降低，而同时其性能却得到了保持甚至更好。借助于微机械加工技术，人们制造了许多极微小的机械器件，如尺寸小于1mm的压力传感器、流动传感器和加速计，具有类似尺寸的换热器、空气透平、微型燃烧室和电子马达，以及制作在一个硅片上的一整套气体胶版复制器、微飞行器、微动力系统等，这些微系统在多个领域展示了广阔的应用前景。

在所有的微电子机械系统中，无一例外地要用到其基能源驱动装置。然而令人遗憾的是，在发展MEMS系统的同时，高效MEMS基能源研制方面的进展十分缓慢。高效基能源驱动装置在一些微系统应用场合占有至关重要的地位，比如对于脱离基地执行任务的微型飞行器、微动力系统而言，其所采用的供能装置应具备输出功率尽可能高、使用时间尽可能长的特点，而同时为减小能量消耗和运动阻力，其体积和重量则应尽可能小。可以认为，高效基能源驱动装置是MEMS充分实现其功能，进入实用和扩大应用范围的关键技术之一。目前，几种比较有前景的基能源驱动装置有(1)微燃料发动机；(2)微型燃料电池；(3)微型太阳能电池；及(4)薄膜锂电池等(解晶莹，刘路，MEMS基能源技术的研究和现状，2000年微系统技术研讨会资料，上海)。

其中，微燃料发动机的制作是微制造技术中极富挑战性的尝试之一。此方面，美国麻省理工学院的Waitz等(Waitz I.A.，G.Gauba，and Y.S.Tzeng，Combustors for micro-gas turbineengines，ASME J.of Fluid Engineering，vol.120，pp.109-117，1998；微燃气透平用燃烧室，美国机械工程师学会会刊：流体力学学报，第120卷，109-117页，1998)新近研制了一种针对微燃气透平的燃烧室。其初衷在于：若能成功设计出一种能产生10-100W电能，而体积仅在1cm³以下且每小时消耗的喷气燃料仅约7g的微燃气透平发电机，则其将拥有10倍于现行最好的电池所能提供的能量密度。但该类装置的研制上存在很多不足之处，如结构复杂的发动机的微加工十分困难，其内燃料的供应十分复杂，并且其较大的比表面积会导致产生较高的附加能量损失，特别困难的地方还在于所选用材料必须具有适应恶劣环境的优异的机械、热学及化学性质，目前主要采用难熔的结构陶瓷如氮化硅(Si₃N₄)及碳化硅(SiC)等，以避免因燃烧而引起高温融化，而这类难熔结构陶瓷的微加工十分困难。正是这些不足限制了微燃料发动机的进一步发展。于是，研究者们又转而寻求其他方式的微型动力系统，如微型燃料电池、微型太阳能电池、薄膜锂电池等。但存在的缺陷是：要么输出功率偏小，要么工作时间不够长，所以仍处于发展阶段。